Виды изнашивания деталей: Механизмы и виды изнашивания при описании в экспертизе

Механизмы и виды изнашивания при описании в экспертизе

     Конструкция автомобиля содержит достаточно большое количество пар трения, в которых одни детали совершают движение относительно других. Взаимодействующие поверхности данных деталей называются трущимися поверхностями. При работе данных поверхностей происходит их изнашивание, котороепроявляется в постепенном изменении размеров детали и (или) ее формы. За счет износа фактические размеры, форма детали и шероховатости поверхности изменяются. И при определенной степени изменения деталь уже перестает соответствовать требованиям документации и наступает ее неработоспособное состояние.

В ходе проведения судебных экспертиз в заключении очень часто отражается описательный характер износа. В качестве примера рассмотрим тормозную колодку. Накладка колодки и тормозной диск образуют пару трения. В результате трения накладка колодки изнашивается – снижается ее толщина. Процедура проверки фактического значения толщины накладки предусмотрена эксплуатационной документацией, где также указана минимально допустимая толщина. Если минимальная толщина достигнута – колодка подлежит замене на новую. Аналогичным образом процесс изнашивания протекает и для других поверхностей трения в конструкции автомобиля.

Общепринято выделять следующие виды изнашивания: абразивное, фреттинг, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное выкрашивание, кавитационное, коррозионно-механическое.

Абразивное, сущность которого заключается в разрушения материала поверхности трения твердыми абразивными частицами. На рис. 1 показаны трущиеся тела – 1 и 2, между которыми находятся твердые абразивные частицы 3. При работе одно тело воздействует на другое определенной силой – тела прижимаются друг к другу. Находящиеся между поверхностями тел твердые абразивные частицы внедряются (вдавливаются) в каждое из тел на некоторую глубину. При последующем движении одного тела относительно другого внедрившиеся частицы будут  вырывать с поверхности тела материал. Вырванный материал (продукты износа) при этом будут становится твердыми абразивными частицами.

 Рисунок 1. Абразивное изнашивание в экспертизе

Рассмотрим частный случай абразивного изнашивания, схема которого показана на рис. 1б. Твердость тела 1 ниже твердости тела 2. При этом твердые абразивные частицы внедряются в поверхность тела 1 на значительно большую глубину. Данное явление получило название шаржирование. Глубина внедрения в поверхность тела 2 значительно меньше. При последующем движении одного тела относительно другого будет наблюдаться изнашивание только поверхности тела 2, так как в теле 1 частицы надежно удерживаются  за счет большой глубины внедрения – частицы движутся совместно с телом 1. Подобное явление часто используется, например, при полировке. Когда полировочный диск из относительно мягкого материала надежно удерживает твердые частицы, срезающие материал с поверхности металлических деталей, лакокрасочного покрытия или даже стекла.

Аналогичным образом появляются задиры на поверхностях шеек коленчатого и распределительного (фото 1) валов. Данные поверхности имеют очень высокую твердость, полученную путем азотирования, либо закалки. Поэтому такое большое внимание уделяется чистоте системы смазки ДВС и моторного масла в части содержания твердых абразивных частиц.

Фото 1. Задиры на поверхности шейки распределительного вала в экспертизе

Абразивное изнашивание имеет место быть при работе всех пар трения, где наблюдается непосредственное взаимодействие поверхностей. Абразивное изнашивание будет происходить не только за счет твердых частиц, поступивших в зону взаимодействия из внешней среды, но и за счет частиц, являющихся продуктами износа. Казалось бы – если в паре трения нет твердых абразивных частиц, то и нет первоначальных условий для абразивного изнашивания. Однако в реальности дело обстоит несколько иначе. Рассмотрим взаимодействие поверхностей на микроуровне. На рис. 2 эскизно показан контакт реальных тел под значительным увеличением (на микроуровне).

Рисунок 2. Фрикционное взаимодействие тел на микроуровне в экспертизе

Поверхности реальных деталей не являются абсолютно ровными и гладкими – в любом случае будут иметь место отклонения формы, также будут присутствовать шероховатости. И чем больше увеличение, под которым рассматривается поверхности, тем более заметным будет отклонение. Как видно из рис. 2, при контактировании деталей вследствие волнистости их поверхностей контур контакта будет возникать преимущественно на вершинах неровностей (волн). Каждая такая область будет ограничена контуром ΔA_c, который носит название контурной площади контакта. Эти контуры удалены один от другого на расстояние шага волны L. Общая контурная площадь будет А_c=ΣΔА_c. Внутри контурной площади находятся фактические пятна контакта ΔA_r. Площадь, определяемая исходя из размеров макрогеометрии поверхностей трения (для рис. 2а – линейных размеров a и b),  носит название номинальной площади контакта ΔA_a, данная площадь фигурирует в качестве основного геометрического параметра пары трения при производимых инженерных расчетах.

С точки зрения работы пары трения наибольший интерес представляет фактическая площадь контакта A_r=ΣΔA_r – это площадь, на которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость поверхности. Именно в пределах данной площади имеет место быть фактическое взаимодействие поверхностей деталей. ФПК обычно мала и занимает не более 1…10% номинальной площади А_а.

Площадь фактического контакта А_r имеет очень важное значение во всех физических и химических процессах, которые могут протекать на границе раздела деталей машин. Трение и износ, электро- и теплопроводимость контактов, жесткость стыков, контактная химическая коррозия и прочность прессовых соединений – все эти явления в решающей мере зависят от площади фактического контакта твердых тел.

Помимо геометрических параметров зоны взаимодействия трущихся поверхностей необходимо также рассмотреть строение поверхностей трения, которое показано на рис. 2б. Внешней средой для большинства деталей, эксплуатирующихся в атмосфере Земли, является воздух. В воздухе содержится свободный кислород, которым мы дышим и который необходим для работы ДВС. Кислород взаимодействует с поверхностями деталей, в результате чего на них образуются слои оксидов, условно показанные на рис. 2б. Именно через оксидные пленки осуществляется непосредственный контакт поверхностей в зонах фактического контакта. Оксиды в большинстве своем являются твердыми и хрупкими. При взаимодействии трущихся поверхностей происходит скалывание оксидов с поверхности. И эти отколовшиеся фрагменты уже представляют собой твердые абразивные частицы. Почему алюминиевые сплавы характеризуются очень низкой износостойкостью? Потому что при малой твердости самих алюминиевых сплавов оксид алюминия имеет очень высокую твердость и прекрасно «грызет» основной металл.

Одним из основных способов снижения интенсивности абразивного изнашивания является применение смазочных материалов. В состав смазочного материала входят поверхностно-активные вещества, которые откладываются на поверхностях деталей (поверх пленки оксидов). За счет этого значительно снижаются контактные давления в зонах фактического контакта (рис. 2), снижается свободная поверхностная энергия. В итоге снижается коэффициент трения и интенсивность изнашивания.

Гидро- и газоабразивное изнашиваниеобразуется в результате механического воздействия на поверхность твердых частиц, перемещаемых потоком жидкости или газа. Схема гидроабразивного (и газоабразивного) воздействия показана на рис. 3.

Рисунок 3. Схема гидроабразивного воздействия в экспертизе

Твердая абразивная частица 1, которая движется совместно с потоком жидкости или газа (на рис. 3 условно не показаны), ударяется о поверхность тела 2. В момент взаимодействия частицы с поверхностью будет наблюдаться изнашивание. При этом будет происходить вырывание частицей материала с поверхности при ее внедрении и последующем перемещении (только в отличие от абразивного изнашивания внедрение и перемещение частицы будет происходить за счет кинетической энергии первоначального движения частицы). Также при гидроабразивном изнашивании будет наблюдаться усталостное выкрашивание поверхности.

Усталостное выкрашивание происходит в результате накопления в поверхностном слое детали повреждений, приводящих к разрушению поверхностного слоя. Для понимания механизма усталостного изнашивания необходимо разобраться в природе усталостного разрушения. Усталостное разрушение характерно для поверхностей, которые нагружаются многократно (например, циклически). На рис. 4 показана диаграмма Веллера, которая показывает зависимость максимального напряжения за цикл от количества циклов,  которое может выдержать материал без разрушения. Для стали имеется такое значение напряжений, которое она способна выдерживать бесконечно долго не разрушаясь – кривая красного цвета после 10⁷ циклов нагружения идет практически горизонтально.

Рисунок 4. Диаграмма Веллера в экспертизе

Трущиеся поверхности при воздействии друг на друга, либо твердые абразивные частицы (рис. 1) вызывают в материале поверхностного слоя сжимающие напряжения. Если величина действующих напряжений  и количество циклов нагружения будут находится выше, чем кривая Веллера для соответствующего материала, то произойдет разрушение. Наибольшие напряжения при трении, либо гидроабразивном (газоабразивном) воздействии будут наблюдаться на некоторой глубине под поверхностью детали. Соответственно, разрушение будет представлять собой выкрашивание участка поверхности, под которым произошло усталостное разрушение материала. На фото 2 показана поверхность, поврежденная усталосным выкрашиванием.

Фото 2. Выкрашивание металла на поверхности качения кольца подшипника в экспертизе

Кавитационное разрушение наблюдается в ряде случаев на поверхностях деталей, контактирующих с подвижной жидкой средой. Для движущегося потока жидкости закон сохранения энергии может быть записан в виде уравнения Бернулли:

Сущность данного уравнения в следующем: сумма кинетической (зависящей от скорости движения) энергии движения жидкости () и потенциальной (зависящей от давления) энергии () всегда постоянна. Течение жидкости далеко не всегда равномерное. На рис. 5 условно показано ламинарное (а) и турбулентное течение жидкости в трубе. При ламинарном течении потоки жидкости движутся прямолинейно (для прямого участка трубы) с постоянной скоростью и не смешиваются. Скорость потоков в центре несколько ниже, чем у потоков по краям за счет внутреннего трения жидкости. При турбулентном течении направление и скорость потоков имеют достаточно хаотичный порядок, происходит активное перемешивание жидкости. В качестве турбулизаторов выступают различного рода местные сопротивления, например, указанные у стенки трубы на рис. 5 шероховатости.

Рисунок 5. Ламинарное (а) и турбулентное (б) течение жидкости при анализе в экспертизе

При турбулентном течении скорости потока жидкости в отдельных зонах могут быть достаточно высокими. И, в соответствии с рассмотренным ранее уравнением Беррнулли, в данных зонах будет наблюдаться снижение общего давления жидкости. Жидкости при определенных условиях кипят. Данное условие следующее – давление жидкости должно быть ниже давления насыщенных паров для данной температуры. Если при турбулентном течении жидкости давление в отдельных зонах снижается настолько, что жидкость начинает «кипеть», то образуются условия, необходимые для кавитационного изнашивания расположенной рядом поверхности.

Для пояснения процесса кавитационного изнашивания на рис. 6. показана схема поведения пузырька пара. При турбулентном течении жидкости за счет локального снижения давления образовался пузырек пара. При дальнейшем движении данной зоны (с пузырьком) скорость данной зоны снижается и происходит повышение в ней давления. Условия для существования вещества в газообразном состоянии уже не соблюдаются. Пузырек схлопывается. Схлопывание происходит следующим образом – потоки жидкости со всех сторон заполняют паровую полость. И в определенный момент потоки жидкости, направленные с разных сторон сталкиваются. В результате происходит удар – локальное, но весьма заметное повышение давления жидкости. Через жидкость данный удар передается рядом лежащей поверхности детали и нагружает ее. От многократного такого воздействия происходит усталостное выкрашивание поверхности.

Рисунок 6. Схема образования и схлопывания пузырька пара в экспертизе

Отметим, что кавитационное разрушение деталей автомобиля происходит крайне редко. Имели место быть разрушения деталей системы охлаждения из-за ошибок, допущенных при проектировании отдельных ДВС. Отметим, что описанный выше принцип кавитационного разрушения положен в основу работы различных ультразвуковых устройств, предназначенных для очистки деталей ДВС при техническом обслуживании и ремонте. Единственное отличие от описанного выше – локальное снижение давления происходит не за счет локального увеличения скорости, а за счет того, что в жидкости колеблется излучатель с ультразвуковой частотой – при колебаниях излучатель увлекает за собой жидкость, что создает в ней снижение давления.

Коррозионное разрушение вызывается химическим и физико-химическим взаимодействием поверхности детали с окружающей средой. Подобного рода взаимодействие, как правило, приводит к снижению основных эксплуатационных характеристик материала. Яркий пример – «преобразование» стали в ржавчину под воздействием воды и кислорода. С точки зрения работы пар трения особы интерес представляет корозионно-механическое разрушение, сущность которого в увеличении интенсивности изнашивания различных видов (абразивное, гидроабразивное, кавитационное и пр.) материала ослабленного в результате коррозии. Проиллюстрировать это можно следующим образом – сталь подвергается обработке только достаточно прочным и твердым инструментом, а ржавчина (продукт коррозионного разрушения стали) может быть разрушена даже ногтем.

Водородное изнашивание. Сущность водородного изнашивания следующая – если у поверхности детали присутствует ион водорода, то за счет малых размеров данный ион проникает вглубь материала. Как известно, сталь представляет собой сплав железа и углерода. Водород обладает большим сродством к углероду, чем сталь. Соответственно, водород «отнимает» у железа атом углерода и образует с ним молекулу метана (CH₄). Данная молекула имеет сравнительно большие размеры и после своего образования начинает локально растягивать материал – то есть создает в нем напряжения. Также разрушению способствует то, что растягиваться металл начинает в обезуглероженной зоне (за счет чего прочность материала снижена). То есть водородный износ нельзя назвать износом в полной мере – это явление приводит лишь к интенсивности изнашивания других видов после того, как материал был разупрочнен из-за воздействия водорода.

В объеме данной статьи, надеемся, у Вас получится объективно понимать суждения по заключению экспертов. Возможно, данная информация будет интересно любому специалисту из области диагностики автомобильного транспорта. Эксперт, бесспорно, должен обладать данными знаниями, и использовать их в ходе исследования.

 Специалист                                                               Александр

9.

Виды изнашивания. Закономерности изнашивания, сопрягаемых деталей машин.

Изнашивание
— это процесс постепенного изменения
размеров деталей вследствие работы
трения, проявляющийся в отделении с
поверхностей трения материала и (или)
его остаточной деформации.

Механическое
изнашивание
разделяют на абразивное, гидроабразивное,
газо-абразивное, эрозионное, усталостное
и кавитационное.

Абразивное
изнашивание в машинах возникает в
результате микропластических деформаций
и срезания металла твердыми абразивными
частицами, находящимися между поверхностями
трения. Абразивному изнашиванию
подвержены детали машин, работающие в
абразивной среде (ходовая часть гусеничных
тракторов и дорожно — строительных
машин, рабочие органы сельскохозяйственных
машин).

Гидроабразивное
изнашивание вызывается абразивными
(твердыми) частицами, перемещающимися
потоком жидкостей. Этому виду изнашивания
подвержены детали водяных, масляных и
топливных насосов, гидроусилителей,
гидроприводов тормозных и других систем.

Газоабразивное
изнашивание вызывается воздействием
твёрдых частиц, увлекаемых потоком
воздуха или газа.

Эрозионное
изнашивание деталей происходит в
результате трения потока жидкости о
металл. Эрозионное изнашивание в
большинстве случаев проявляется
совместно с гидроабразивным изнашиванием.
Поток жидкости разрушает постоянно
образующуюся окисную пленку металла,
а абразивные частицы в потоке способствуют
более интенсивному изнашиванию.

Усталостное
изнашивание возникает под действием
больших удельных повторно-переменных
нагрузок, превышающих предел текучести
металла, в результате чего образуются
микропластические деформации сжатия
и упрочнения поверхностных слоев.

Кавитационное
изнашивание деталей объясняется
появлением на поверхности металла
гидравлических микро ударов, образующихся
при относительном перемещении жидкости
и твердых тел. Этому виду изнашивания
подвержены поверхности цилиндров и
водяных рубашек современных двигателей,
охлаждаемых турбулентным потоком
жидкости, лопасти водяных насосов и
другие детали.

Молекулярно-механическое
изнашивание
вызывается одновременным воздействием
механических и молекулярных или атомарных
сил. В результате схватывания поверхностей
в месте контакта происходит глубинное
вырывание материала, поэтому его называют
изнашиванием при заедании.

Изнашивание
возникает при трении поверхностей с
малыми скоростями (1,0 м/с), отсутствии
смазки и при больших нагрузках в местах
контакта поверхностей. Под действием
большой нагрузки между отдельными
выступами трущихся поверхностей
возникают металлические связи и
упрочнение в месте схватывания. При
перемещении происходит вырывание
стружки из менее твердой поверхности
или царапанье ее упрочненным участком.
Изнашивание схватыванием сопровождается
наиболее высоким коэффициентом трения,
выделением большого количества тепла
и наибольшей интенсивностью изнашивания.

Коррозионно-механическое
изнашивание происходит при трении
поверхностей, непрерывно вступающих в
химическое взаимодействие с окружающей
средой.

Наибольшему
коррозионно-механическрму изнашиванию
подвержены мягкие стали, поэтому
эффективным способом уменьшения этого
изнашивания является повышение твердости
рабочих поверхностей закалкой, нанесением
твердых сплавов, хромированием и др.

В чем разница между типами одежды?

Инженеров, изготавливающих компоненты на века, естественно беспокоит износ. Существуют разные типы износа, и некоторые инженеры могут намеренно вызывать износ по разным причинам. Существует три вида износа: абразивный, адгезионный и коррозионный. У каждого типа есть свои проблемы и преимущества, на которые могут повлиять материалы, смазка и качество обработки поверхности.

Абразивный материал

Существует два распространенных типа: двухкомпонентный и трехкомпонентный абразивный материал. Истирание двух тел относится к поверхностям, которые скользят друг по другу, где один (твердый) материал врезается и удаляет часть другого (мягкого) материала. Примером истирания двумя телами является использование напильника для придания формы заготовке. Истирание трех тел — это когда частицы между двумя поверхностями удаляют материал с одной или обеих поверхностей. Процесс кувыркания является примером этого.

В галтовке используются частицы для шлифовки и полировки поверхности детали. Частицы, вызывающие истирание, часто называют загрязнителями. Загрязняющие вещества — это все, что попадает в систему и вызывает истирание. Хотя смазка является обязательной, активная система смазки может привносить загрязняющие вещества, вызывающие абразивный износ. Фильтры удаляют загрязняющие вещества и являются одной из причин важности правильного обслуживания и замены фильтров. Однако смазка или содержащиеся в ней присадки могут реагировать с металлом, создавая тонкий монослой загрязняющих веществ, что также делает правильный выбор смазки важным для снижения износа вашего оборудования.

Абразивный износ может иметь преимущества, такие как водоструйная обработка. Гидроабразивная струя позволяет относительно легко резать металл. Это может уменьшить изменения свойств, которые могут произойти с другими процессами, которые выделяют чрезмерное количество тепла при резке. (Любезно предоставлено Thinkstock)

Шероховатость поверхности — еще одна важная переменная, определяющая износ. Истирание двух тел уменьшается за счет более гладкой шероховатости поверхности. Например, опорный подшипник или подшипник скольжения, изготовленный из более мягкого материала, будет скользить по более твердому приводному валу практически без истирания из-за обработки поверхности. Использование материалов с одинаковой твердостью, как правило, не рекомендуется. Причиной более мягкого материала подшипников является дальнейшее снижение износа. Загрязняющие вещества могут внедряться в более мягкие материалы и предотвращать истирание трех тел. Этот метод может повредить подшипник, но он предпочтительнее, поскольку его относительно легко и экономично заменить, чем приводной вал. Более шероховатые поверхности могут увеличить коэффициент трения, а микропики могут сломаться, что приведет к загрязнению, связанному с истиранием.

Адгезия

Шероховатость поверхности также способствует адгезии. Для этого типа одежды будет важна совместимость материалов. Совместимость не означает, что материалы хорошо работают вместе; скорее, материалы «нравятся» друг другу, заставляя их слипаться. Эта совместимость образует связь, вызывающую заедание деталей и даже их сварку в холодном состоянии. Есть несколько общих правил, которым следует следовать при выборе материала, чтобы избежать нежелательного износа клея. Материалы, соприкасающиеся друг с другом, как правило, должны:

• Не растворяться в другом

• Не образовывать в данной среде и других условиях сплав

• Не быть идентичным (например, алюминиевый вал с алюминиевым подшипником)

• Иметь хотя бы один металл из подгруппа B (например, элементы справа от никеля, палладия и платины в периодической таблице).

Адгезию можно рассчитать. Расчеты адгезии и абразивного износа основаны на одной и той же формуле; однако он может варьироваться на целых +/- 20%. Эта неточность связана с постоянным изменением состояния поверхности и смазки во время работы. Это может быть лучше, чем отсутствие данных, но дизайнеры должны знать об ограничениях и точности формулы. Попытки рассчитать или предсказать износ усложняются, если компоненты имеют несоответствующую геометрию, например, когда задействованы зубья шестерни и кулачки. Эти компоненты могут с трудом оставаться должным образом смазанными. Чтобы уменьшить адгезионный износ, иногда намеренно вызывают коррозионный износ.

Коррозионный

Хлориды, фосфаты или сульфиды могут быть добавлены, чтобы вызвать коррозию и уменьшить более разрушительный адгезионный износ. О коррозионном износе чаще думают как о чем-то, что вы хотите предотвратить. Ржавчина или окисление — это форма коррозионного износа № 1. Смазка, выбор материала, отделка поверхности, в том числе покрытия — например, при абразивном и адгезионном износе — являются основными факторами, которые следует учитывать.

Большинство представленных материалов представляют собой совместимые металлы, которые были бы плохим выбором в приложениях, где происходит контакт. Эта диаграмма воссоздана из учебника Роберта Л. Нортона «Проектирование машин».

Благородные материалы отмечены как обладающие неагрессивными свойствами. Золото специально используется в электронике в качестве покрытия из-за его способности противостоять коррозии. Благородные материалы часто используются экономно или в процессах с минимальными отходами из-за их стоимости. Остальные материалы самоанодируются. Известно, что алюминий реагирует с кислородом с образованием слоя оксида алюминия, который предотвращает окисление.

Железо и железосодержащие материалы не только подвержены ржавчине, но и отслаиваются, обнажая еще один слой, что позволяет окислению продолжить процесс разложения. В случае самоанодирующихся материалов небольшое истирание или даже напряжения могут вызвать распространение трещин или сдирание оксида алюминия, что приведет к продолжению коррозионного износа.

Стресс влияет на коррозионный износ. Коррозия под напряжением и коррозионная усталость значительно ускорят коррозионный износ. Разница между этими типами заключается в ситуации загрузки. Статические нагрузки вызывают коррозию под напряжением, тогда как более динамические нагрузки, такие как циклические нагрузки, вызывают коррозионную усталость.

Виды износа – Классификация и различия

В общем, износ – это механически вызванное поверхностное повреждение, которое приводит к постепенному удалению материала из-за относительного движения между этой поверхностью и контактирующим веществом или веществами. Контактирующее вещество может состоять из другой поверхности, жидкости или твердых абразивных частиц, содержащихся в той или иной форме жидкости или суспензии, такой как смазка. Как и в случае с трением, наличие износа может быть как хорошим, так и плохим. Продуктивный контролируемый износ можно обнаружить в таких процессах, как механическая обработка, резка, шлифовка и полировка. Однако в большинстве технологических применений возникновение износа крайне нежелательно и является чрезвычайно дорогостоящей проблемой, поскольку приводит к износу или выходу из строя компонентов. С точки зрения безопасности, это часто не так серьезно (или так внезапно), как перелом, и это потому, что износ обычно ожидается.

Определенные характеристики материала, такие как твердость , тип карбида и объемный процент, могут иметь решающее влияние на износостойкость материала в данном приложении. Износ , как и коррозия, имеет несколько типов и подтипов, которые в некоторой степени предсказуемы, и их довольно сложно надежно протестировать и оценить в лаборатории или при обслуживании.

Износ обычно классифицируют в соответствии с так называемыми типами износа, которые возникают изолированно или при комплексном взаимодействии. Механизмы износа и/или подмеханизмы часто перекрываются и проявляются синергетически, создавая более высокую скорость износа, чем сумма отдельных механизмов износа. Наиболее распространенные типы износа:

• Абразивная износ
• Клей и носитель
• Поверхностная усталость
• Износ. Диффузионный износ

Абразивный износ

Абразивный износ определяется как потеря материала из-за твердых частиц или твердых выступов, которые сталкиваются с твердой поверхностью и движутся вдоль нее. Это происходит, когда твердая шероховатая поверхность скользит по более мягкой поверхности. Этот механизм иногда называют шлифовальным износом. Более твердый материал может быть одной из трущихся поверхностей или твердыми частицами, попавшими между сопрягаемыми поверхностями. Это могут быть «посторонние» частицы или частицы, образовавшиеся в результате адгезионного или расслаивающего износа. Истирание в основном связано с микромасштабными процессами резания и вспашки. То, как неровность скользит по поверхности, определяет характер и интенсивность абразивного износа. Различают два основных режима абразивного износа:

• Двухчастный абразивный износ. Двойной износ происходит, когда песок или твердые частицы удаляют материал с противоположной поверхности. Обычная аналогия состоит в том, что материал удаляется или перемещается при резке или вспахивании.
• Трехкомпонентный абразивный износ. Трехчастичный износ происходит, когда частицы не ограничены и могут свободно катиться и скользить по поверхности. Контактная среда определяет, классифицируется ли износ как открытый или закрытый. Открытая контактная среда возникает, когда поверхности достаточно смещены, чтобы быть независимыми друг от друга.

Существует множество различных способов снижения абразивного износа, но общее правило выбора материалов заключается в том, что чем тверже, тем лучше. Материалы, содержащие относительно большой процент твердых износостойких сплавов карбидов, такие как отдельные инструментальные стали и быстрорежущие стали.

Адгезионный износ

Адгезионный износ возникает из-за шероховатостей или микроскопических выступов (шероховатости поверхности) между двумя скользящими материалами. Когда пик с одной поверхности входит в контакт с пиком с другой поверхности, происходит мгновенное микросварка может иметь место из-за тепла, выделяемого в результате трения. Это приводит к отслоению или переносу материала с одной поверхности на другую. Для адгезионного износа поверхности должны находиться в тесном контакте. Это может вызвать нежелательное смещение и прилипание продуктов износа и соединений материалов с одной поверхности на другую. Адгезионный износ может привести к увеличению шероховатости и образованию выступов (т. е. выступов) над исходной поверхностью. Поверхности, разделенные смазочными пленками, оксидными пленками и т. д., уменьшают склонность к слипанию. В некоторых технических приложениях поверхности скользят в воздухе без смазки, и возникающий в результате износ называется сухим скольжением.

Адгезионный износ зависит от используемых материалов, степени смазки и окружающей среды. Адекватная смазка обеспечивает плавную, непрерывную работу элементов машины, снижает скорость износа и предотвращает чрезмерные нагрузки или заедания в подшипниках. Когда смазка выходит из строя, компоненты могут разрушительно тереться друг о друга, вызывая нагрев, местное сваривание, разрушительные повреждения и выход из строя. Например, аустенитные нержавеющие стали (например, AISI 304), скользящие друг относительно друга, с большой вероятностью будут перемещать материал и нагар, что приведет к серьезному повреждению поверхности. Другие материалы, склонные к адгезионному износу, включают титан, никель и цирконий. С другой стороны, алюминиевая бронза находит все более широкое признание для широкого круга применений, требующих устойчивость к механическому износу . Его износостойкость основана на переходе от более мягкого металла (алюминиевой бронзы) к более твердому металлу (стали), образуя тонкий слой более мягкого металла на более твердом металле.

Например, основной функцией моторного масла является снижение трения и износа движущихся частей (уменьшение адгезионного износа) и очистка двигателя от шлама, а фильтр предназначен для удаления из моторного масла загрязнений и абразивных частиц.

Эрозионный износ

Эрозионный износ – это процесс постепенного удаления материала с поверхности мишени из-за повторяющихся ударов твердых частиц. Частицы, взвешенные в потоке твердо-жидкой смеси, размывают смачиваемые каналы, что ограничивает срок службы оборудования, используемого в системе транспортировки пульпы. Каждая частица срезает или разрушает крошечное количество материала (известного как изнашиваемая стружка ) с поверхности. Если это повторяется в течение длительного периода времени, это может привести к значительным материальным потерям.

Эрозионный износ часто встречается в насосах, рабочих колесах, вентиляторах, паропроводах и форсунках внутри острых изгибов труб и трубопроводов. Поэтому он является широко распространенным механизмом в промышленности и энергетике. Из-за характера процесса транспортировки трубопроводные системы подвержены износу при транспортировке абразивных частиц.

Эрозионный износ вызван кинетической энергией, передаваемой поверхности мишени при столкновении с твердыми частицами. Скорость эрозионного износа зависит от многих факторов. Материальные характеристики частиц, такие как их форма, твердость, скорость удара и угол столкновения, являются основными факторами наряду со свойствами разрушаемой поверхности. Материальные потери материала мишени тем выше, чем выше кинетическая энергия сталкивающейся частицы. Таким образом, скорость удара в значительной степени влияет на эрозионный износ материала мишени. Угол столкновения является одним из наиболее важных факторов и широко известен в литературе. Острые кривые или изгибы, как правило, вызывают большую эрозию, чем плавные изгибы.

Эрозионный износ можно разделить на три категории:

• Эрозия твердыми частицами. Эрозия твердыми частицами представляет собой потерю объема материала из целевого материала из-за постоянного столкновения твердых частиц, присутствующих в протекающей жидкости.
• Жидкостная ударная эрозия. Постоянное попадание струи жидкости на поверхность материала вызывает эрозию ударной жидкости.
• Кавитационная эрозия. Пар или газ в жидкости образуют полости или пузырьки, вызывающие износ.

Как правило, стойкость к эрозионному износу можно улучшить за счет увеличения твердости поверхности, использования соответствующих материалов и правильной конструкции изделия. Некоторые конкретные шаги, которые можно предпринять для изменения условий потока, включают: снижение скорости жидкости, устранение турбулентности при несоосности и избежание резких изгибов.

Эрозия – коррозия

Эрозия также может возникать в сочетании с другими формами деградации, такими как коррозия. Это называется эрозией-коррозией. Эрозионная коррозия — это процесс деградации материала из-за комбинированного воздействия коррозии и износа. Почти все текущие или турбулентные агрессивные среды могут вызывать эрозионную коррозию. Механизм можно описать следующим образом:

• механическая эрозия материала или защитный (или пассивный) оксидный слой на его поверхности,
• усиленная коррозия материала, если скорость коррозии материала зависит от толщины оксида слой.

Износ представляет собой процесс механического разрушения материала, происходящий при трении или соударении поверхностей, в то время как коррозия включает химические или электрохимические реакции материала. Коррозия может ускорить износ, а износ может ускорить коррозию.

Фреттинг-износ

Фреттинг-износ — это особый процесс износа, происходящий в зоне контакта между двумя материалами под нагрузкой. Он подвергается незначительному относительному движению за счет вибрации или другой силы. Фреттинг-износ аналогичен адгезионному износу в том смысле, что микросварка происходит на сопрягаемых поверхностях. Однако при адгезионном износе облицовочные металлы скользят друг по другу, а при фреттинг-износе поверхности раздела металл-металл практически неподвижны. Амплитуда относительного скользящего движения часто составляет от микрометров до миллиметров. Поскольку фреттинг-износ представляет собой стационарное явление, мусор остается в местах первоначального образования или рядом с ними. Этот мусор обычно состоит из оксидов металлов, находящихся в контакте. Поскольку окисленный мусор обычно намного тверже, чем поверхность, с которой он образовался, он часто действует как абразивный агент, увеличивающий скорость истирания. Фреттинг-износ обычно происходит в подшипниках, хотя у большинства подшипников их поверхности закалены, чтобы противостоять этой проблеме.

  Снижение износа основано на следующих мерах:

• Снижение или устранение вибрации. Основным способом предотвращения истирания является отсутствие относительного движения поверхностей в месте контакта.
• Использование эластомерного материала для предотвращения контакта металла с металлом.
• Смазка. Проблема в том, что жидкая смазка не может течь через поверхность раздела, потому что соединение по существу стационарно.

Коррозионное истирание обломков – фреттинг «решетка к стержню»

На атомных электростанциях оболочка твэла — это внешний слой топливных стержней, стоящий между теплоносителем реактора и ядерным топливом (т. е. топливными таблетками ). Изготавливается из коррозионностойкого материала с малым сечением поглощения тепловых нейтронов (~0,18×10 ^–24 см ² ), обычно циркониевого сплава . Оболочка предотвращает попадание радиоактивных продуктов деления из топливной матрицы в теплоноситель реактора и его загрязнение. На ранних этапах эксплуатации PWR и BWR истирание было одним из основных механизмов разрушения этой оболочки твэла. Обычно имеет два варианта.

• Истирание мусора. Истирание обломков может быть вызвано любым мусором (посторонним материалом, обычно металлическим), который может попасть в топливный пучок и потенциально застрять между дистанционирующей решеткой и топливным стержнем. Фреттинг-износ оболочек твэлов может привести к пробитию оболочки.
• Износ сетки к стержню. Истирание решетки к стержню возникает из-за вибрации топливного элемента, создаваемой высокой скоростью охлаждающей жидкости через промежуточную решетку. На направляющие трубы навариваются дистанционирующие решетки, которые закрепляются с помощью пружин и углублений, опоры твэлов и проставок. Высокая скорость охлаждающей жидкости может привести к трению стержня о ту часть дистанционирующей решетки, которая его удерживает. Этот тип износа оболочки можно свести к минимуму за счет правильной конструкции дистанционной сетки. Струйные перегородки обычно группируются под фреттингом «решетка к стержню».

См. также: МАГАТЭ, Обзор отказов топлива в водоохлаждаемых реакторах. № НФ-Т-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Вена, 2010 г.

Поверхностная усталость – усталостный износ

В материаловедении усталость – это ослабление материала, вызванное циклическим нагружением, приводящее к прогрессирующему, хрупкому и локальному износу. структурное повреждение. Поверхностная усталость, или усталостный износ, представляет собой растрескивание и последующее выкрашивание поверхностей, подверженных переменным напряжениям во время контакта качения или напряжениям от комбинированного качения и скольжения. Усталостный износ возникает, когда частицы износа отрываются за счет циклического роста микротрещин на поверхности. Эти микротрещины представляют собой либо поверхностные трещины, либо подповерхностные трещины. Повторяющиеся циклы нагружения и разгрузки, которым подвергаются материалы, могут вызвать образование подповерхностных или поверхностных трещин, которые в конечном итоге, после критического числа циклов, приведут к разрушению поверхности с образованием крупных фрагментов, оставляя большие ямки. на поверхности. После возникновения трещины каждый цикл нагружения будет увеличивать трещину на небольшую величину, даже если повторяющиеся знакопеременные или циклические напряжения имеют интенсивность значительно ниже нормальной прочности. Напряжения могут быть вызваны вибрацией или термоциклированием. Подповерхностная и поверхностная усталость наблюдаются при многократном прокатывании и скольжении соответственно.

Коррозионный и окислительный износ

Коррозионный износ представляет собой процесс деградации материала из-за комбинированного воздействия коррозии и износа. Он определяется как процесс износа, при котором происходит скольжение в агрессивной среде. В отсутствие скольжения продукты коррозии (например, оксиды) будут образовывать на поверхностях пленку толщиной менее микрометра, которая будет замедлять или даже устранять коррозию, но скольжение изнашивает пленку. так что дальнейшая коррозия может продолжаться. Окислительный износ является одной из наиболее распространенных форм коррозионного износа, поскольку богатая кислородом среда является типичной средой, в которой происходит этот процесс износа. Коррозионный износ требует как коррозии, так и трения. Химическая коррозия возникает в высококоррозионных средах, при высокой температуре и высокой влажности.

Эрозия – коррозия

Эрозия также может возникать в сочетании с другими формами деградации, такими как коррозия. Это называется эрозией-коррозией. Эрозионная коррозия представляет собой процесс деградации материала из-за комбинированного действия коррозии и износа. Почти все текущие или турбулентные агрессивные среды могут вызывать эрозионную коррозию. Механизм можно описать следующим образом:

• механическая эрозия материала или защитного (или пассивного) оксидного слоя на его поверхности,
• усиленная коррозия материала, если скорость коррозии материала зависит от толщины оксидного слоя.

Износ представляет собой процесс механического разрушения материала, происходящий при трении или соударении поверхностей, в то время как коррозия включает химические или электрохимические реакции материала. Коррозия может ускорить износ, а износ может ускорить коррозию.

Ударный износ

Ударный износ определяется как износ твердой поверхности из-за удара, который представляет собой повторяющееся воздействие динамического контакта с другим твердым телом. Ударный износ имеет первостепенное значение при добыче полезных ископаемых. Горнодобывающая промышленность и переработка полезных ископаемых требуют износостойких машин и компонентов, поскольку энергии и массы взаимодействующих тел значительны. Для этого необходимо использовать материалы с наивысшей износостойкостью. Например, карбид вольфрама широко используется в горнодобывающей промышленности в буровых долотах с верхним ударником, забойных молотах, шарошечных резцах, долотах с длинными стенками, резцах с длинными стенками, расширителях для бурения восстающих и туннельных проходческих машинах.

Для металлических ударных пар поведение ударного износа включает упругую и пластическую деформацию, когда ударная нагрузка или энергия удара высоки и/или усталость сопровождается выделением продуктов износа из-за образования трещин. В целом ударный износ металлов зависит от образования деформированных слоев, особенно когда преобладает усталостный износ или трещинообразование. В таких случаях подповерхностные трещины распространяются параллельно поверхности, подобно износу от расслаивания. Достаточная твердость ударяемого компонента необходима для предотвращения быстрого износа или выдавливания материала из контакта за счет пластической деформации. В большинстве случаев это условие можно выполнить, обеспечив достаточную твердость, а затем износ контролируется другими характеристиками материала.

Кавитационный износ

Кавитационный износ представляет собой процесс постепенного разрушения материала из-за многократного образования зародышей, роста и сильного схлопывания полостей в жидкости, протекающей вблизи материала. Кавитационная усталость — это особый тип механизма повреждения, вызванный повторяющейся вибрацией и движением из-за контакта с протекающими жидкостями, наиболее распространенной из которых является вода. Кавитация  во многих случаях является нежелательным явлением. В центробежных насосах кавитация вызывает повреждение компонентов (эрозия материала), вибрации, шум и потеря эффективности. Возможно, наиболее важной инженерной проблемой, вызванной кавитацией, является повреждение материала , которое могут вызвать кавитационные пузырьки, когда они схлопываются вблизи твердой поверхности. Схлопывание кавитационного пузыря — это бурный процесс, который генерирует сильно локализованных ударных волн и микроджеты . Они вытесняют энергичную жидкость в очень малые объемы, тем самым создавая пятна высокой температуры, и эти интенсивные возмущения создают сильно локализованные переходные поверхностные напряжения на твердой поверхности. Признаки эрозии  появятся как точечная коррозия из-за гидравлического удара схлопывающихся пузырьков пара. Было обнаружено, что скорость кавитационного повреждения быстро возрастает  с увеличением объемного расхода.

Более мягкие материалы могут быть повреждены даже при кратковременном возникновении кавитации, а отдельные ямки можно наблюдать после схлопывания одного пузыря. Поэтому для центробежных насосов используются более твердые материалы. Но с более твердыми материалами, используемыми в большинстве приложений, циклическое напряжение  из-за повторяющихся разрушений может вызвать локальное усталостное разрушение поверхности . Таким образом, кавитационное повреждение металлов обычно имеет вид усталостное разрушение .

Когда кавитационные пузырьки схлопываются, они вытесняют энергичную жидкость в очень малые объемы, тем самым создавая пятна высокой температуры и испуская ударные волны, последние из которых и являются источником шума. Хотя обрушение небольшой полости представляет собой относительно низкоэнергетическое событие, сильно локализованные обрушения могут со временем разрушать металлы, такие как сталь. Питтинг, вызванный разрушением полостей, приводит к сильному износу компонентов и может значительно сократить срок службы гребного винта или насоса.

Кавитации обычно также сопутствуют:

• Шум. Типичный шум вызван схлопыванием полостей, а уровень шума, возникающего в результате кавитации, является мерой серьезности кавитации.
• Вибрация . Вибрации насоса, вызванные кавитацией, представляют собой характерные низкочастотные вибрации, обычно находящиеся в диапазоне от 0 до 10 Гц.
• Снижение эффективности насоса . Снижение эффективности насоса является более надежным признаком возникновения кавитации.

Предотвращение кавитации

Ямки могут варьироваться от очень маленьких до очень больших или даже полностью проникать в толщу металла. Повреждение конструкции может быть катастрофическим, а потеря функциональной эффективности может быть существенной. К методам решения этой проблемы относятся:

• Повышение твердости и прочности металла. Однако это может только отсрочить проблему, а не предотвратить ее.
• Увеличение жесткости детали. Это должно уменьшить его амплитуду вибрации, тем самым увеличив его собственную частоту вибрации. Можно увеличить толщину стенки или добавить ребра жесткости для изменения вибрационных характеристик.
• Повышение гладкости поверхности. Полости, как правило, группируются в определенных областях низкого давления, а рассредоточение полостей может устранить пики и впадины на поверхности.